Бактерия-терминатор и её редсовет
05.08.2016
Российские ученые поняли, как самые живучие бактерии выживают в радиации
ГАЗЕТА. RU
Екатерина Мищенко
05.08.2016
Бактерия-терминатор и
её редсовет
Многие наслышаны о микроскопических беспозвоночных тихоходках (близкий к
членистоногим тип Tardigrada),
внешне напоминающих нечто среднее между надувным матрасом и плюшевым мишкой,
которые и в воде не тонут, и космического излучения не боятся, и после
криозаморозки оживают. Deinococcus radiodurans —
«тихоходки» среди бактерий.
![Бактерия-терминатор (jpg, 85 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=fbd78711-4e6f-45f1-9ecb-183e0e77f50e)
Хотя одноклеточные дейнококки сильно отличаются от своего эукариотического
(имеющего ядра в клетках) многоклеточного собрата, они вовсе не уступают ему в
живучести и могут выдерживать дозу
радиации до 10 тыс. Грей (для человека доза 5 Грей смертельна), высушивание и
химическое воздействие.
«О молекулярных механизмах регуляции экспрессии генов у этой бактерии
известно относительно мало, — рассказывает Андрей Кульбачинский, профессор РАН,
заведующий лабораторией в Институте молекулярной генетики РАН. — Мы исследовали
уникальные белки этой бактерии, которые регулируют активность РНК-полимеразы —
главного фермента, ответственного за считывание генетической информации с
матрицы ДНК. Было показано, что эти белки (Gfh-факторы) способны останавливать
РНК-полимеразу в определенных участках генома, что может играть важную роль в
изменении активности генов и «починке» ДНК, поврежденной радиацией. Похожие
механизмы регуляции активности РНК-полимеразы могут действовать и у
многоклеточных организмов». Работа поддержана грантом Российского научного
фонда (РНФ) и была опубликована в журнале PNAS.
Как радиация вредит клетке
Открыты Deinococcus radiodurans были случайно: в 1956 году их нашли «в
добром здравии» в банке с мясными консервами, которые пытались простерилизовать
с помощью радиации.
В норме любое ионизирующее излучение — поток заряженных или нейтральных
частиц или квантов, который способен превращать нейтральные атомы в заряженные
ионы, возбуждая их, — разрушает гармонию слаженного механизма химических
превращений, которые происходят в живой клетке.
Непреодолимые химические силы начинают тянуть ионизированные атомы к
«соседям», к которым в невозбужденном состоянии они были абсолютно
«равнодушны». Даже безопасные и вездесущие нейтральные молекулы воды могут
превратиться в пероксид и затем в супероксид — опасные свободные радикалы, один
из основных источников повреждений биологических молекул в клетке. Действие
свободных радикалов называют оксидативным стрессом, так как оно связано с
окислением биомолекул.
Результат — случайные химические связи, молекулярная неразбериха и
«разрушение традиционных ценностей». Внутри живой клетки главным «хранителем
традиций» является ДНК, в которой в закодированном виде содержится инструкция
по сборке всех ее белков, важнейших участников основных клеточных процессов.
Поэтому радиация (как и многие токсичные вещества), нарушающая
последовательность ДНК, несет для клеток смертельную опасность: некоторые
мутации могут случайно оказаться полезными, но, если не глядя переставлять
детали в исправно работающем сложном механизме, вероятность сломать его
несоизмеримо выше, чем вероятность изобрести что-то хорошее.
Кроме того, в ДНК могут образовываться разрывы, мешающие считыванию кода.
«Ломаются» и сами белки — особенно часто повреждается SH-группы в цистеине
(одной из аминокислот — «кирпичиков», из которых строится молекула белка), что
нарушает их функции.
Восстать из радиоактивного пепла
Как же бактерии выживают в таких условиях? Повреждения ДНК живых организмов
не всегда приводят к плачевным последствиям. В клетках есть специальные
механизмы репарации — «ремонта» драгоценной молекулы, например одну из ее цепей
можно достроить, «подглядывая» во вторую на том же участке и подбирая
нуклеотиды («буквы» генетического кода) по принципу комплементарности, то есть
подставляя на место отсутствующего фрагмента парные ему «буквы».
ДНК Deinococcus radiodurans упакована в две кольцевые хромосомы и две
плазмиды — сравнительно маленькие дополнительные кольцевые молекулы ДНК. Каждая
такая молекула представлена в количестве от четырех до десяти копий в любой
момент жизни клетки, поэтому запасных вариантов для «сверки» у нее всегда много
(а не всего две, как у нас в соматических клетках). Более того, оказалось, что
основная опасность для жизни дейнококка — это не повреждение ДНК (которую можно
починить, используя дополнительные копии), а как раз разрушение структуры
белков, занимающихся ее ремонтом.
Для «починки» разрывов в ДНК бактерия имеет дополнительные белки: одни
связываются с одиночной цепью ДНК при разрыве, чтобы защитить ее от дальнейших
повреждений, другие, работая как «клеточная полиция», ловят «возмутителей
спокойствия», свободные радикалы, и расщепляют их.
Кроме того, у всех бактерий есть дополнительные «хитрости», позволяющие
вносить корректуры прямо в ходе транскрипции — считывания «ДНК-текстов». Однако
есть ли какие-то особенности этого процесса у Deinococcus radiodurans, до
последнего времени было неизвестно.
Один из механизмов, который основан на работе белков Gfh и может играть
роль в процессах «ремонта» ДНК и защите клеток от радиации, и был исследован
российскими учеными из ИМГ РАН. «Двое из трех соавторов, включая меня самого,
работают также на кафедре молекулярной биологии Биологического факультета МГУ
им. М.В. Ломоносова, — сообщает Андрей Кульбачинский. — Исследования были
выполнены исключительно за счет гранта РНФ, темой которого является изучение
механизмов регуляции транскрипции и их возможной роли в радиоустойчивости
Deinococcus radiodurans».
Хитрости редактуры
РНК-полимераза считывает информацию с ДНК, переводя ее в РНК — более
короткую молекулу, которая в зависимости от последовательности будет служить
матрицей для синтеза белка или выполнять еще множество функций в клетке.
РНК-полимераза является также корректором или даже «главным редактором»,
исправляющим ошибки этого «перевода» (транскрипции).
Ведущий автор работы рассказал, какую роль в этом процессе могут играть
изученные командой российских исследователей белки Gfh-факторы. Эти белки были
обнаружены только у экстремофильных (живущих в неблагоприятных, с нашей точки
зрения, условиях — при высоких температурах, давлении и др.) бактерий из группы
Deinococcus-Thermus, которые очень устойчивы к нагреванию и другим стрессовым
воздействиям.
«РНК-полимераза — один из самых консервативных ферментов в эволюции, и
структура его во многом похожа и у бактерий, и у человека. В то же время
различные организмы используют самые разнообразные способы регуляции работы
этого фермента.
Одной из наиболее интересных групп регуляторных факторов являются белки,
которые способны напрямую воздействовать на активный центр РНК-полимеразы. Для
этого они связываются в специальном канале, который соединяет поверхность
РНК-полимеразы с активным центром (так называемый вторичный канал — в отличие
от первичного, в котором происходит связывание ДНК и РНК)», — рассказывает
Андрей Кульбачинский.
По словам ученого, у большинства бактерий встречаются Gre-белки,
относящиеся к этой группе. Они могут переключать активность РНК-полимеразы, в
результате чего уже «прочитанный» фрагмент (транскрипт) расщепляется. Это
свойство позволяет исправлять уже сделанные в ходе транскрипции ошибки. После
такой «редактуры» РНК может синтезироваться дальше. У эукариот (в том числе у
человека) тоже существуют аналоги таких белков, только эволюционное
происхождение они имеют иное. Это говорит об исключительной важности такого
процесса.
«Исследованные нами факторы —
Gfh-белки — являются родственниками (гомологами) Gre-факторов. Однако вместо
того, чтобы переключать активности РНК-полимеразы, они ее ингибируют! Причем у
той бактерии, которую мы исследуем (Deinococcus radiodurans), это происходит
только в определенных участках генома и только в присутствии ионов марганца,
которые, как уже довольно давно известно, играют роль в защите клеток
дейнококка от окислительного стресса» — сообщает ученый.
Перспективы: помогут ли Gfh-факторы «бороться с бактериями их же оружием»?
Исследователи сделали предположение, что Gfh-белки могут «фиксировать»
РНК-полимеразу в определенном структурном состоянии, останавливая ее ход по
молекуле ДНК. Такую «замершую над ошибкой» РНК-полимеразу узнают другие белки —
факторы репарации («починки») и репликации (воспроизведения) ДНК. Дальнейшей
задачей ученых станет исследование роли Gfh-белков в защите дейнококков от
радиации.
«Наша работа носит прежде всего фундаментальный характер: впервые
обнаружено, что регуляторные факторы способны значительно усиливать паузы и
терминацию (остановку — «Газета.ру») транскрипции, связываясь во вторичном
канале РНК-полимеразы. Так как строение РНК-полимеразы очень консервативно,
весьма вероятно, что данный способ регуляции может действовать у самых разных
организмов (например, и у нас с вами), только с участием других регуляторных
факторов», — комментирует Андрей Кульбачинский.
Автор добавляет, что возможно и практическое применение результатов
исследования. Так как Gfh-факторы фиксируют РНК-полимеразу и останавливают
транскрипцию, то, изучив их, можно создать или найти другие молекулы, способные
помешать бактериям переписывать информацию с ДНК на РНК и синтезировать белки.
РНК-полимераза медленно изменяется с течением времени, поэтому у бактерий она
очень похожа и ее удобно использовать как мишень для антибактериальных
препаратов. Так, антибиотик рифампицин,
используемый в борьбе с палочкой Коха, вызывающей туберкулез, подавляет именно
РНК-полимеразу бактерий (правда, со временем они вырабатывают к нему
устойчивость, что делает получение новых антибиотиков важнейшей проблемой
ближайшего будущего).
Ссылка на статью: https://www.gazeta.ru/science/2016/08/05_a_9759299.shtml